球状冠体乔木对邻近墙面热辐射扰动影响分析
时间：2023-05-30 12:45:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
德 克
(浙江农林大学，浙江 杭州 311300)
对宅间及庭院等绿化而言，科学合理的树种选择与配置，可以充分发挥降温增湿、固碳释氧、滞尘减噪等生态效益[1]。在宅间、庭院绿化时，中小乔木与大型的花灌木是主要的植被类型，影响乔灌木树种选择与空间配置的关键因素包含文化风俗、景观要求与经济效益等方面[2]，却忽视了乔灌木对热环境等方面的影响，导致其巨大的降温节能效应难以发挥，造成生态效益的巨大浪费。因此，加强乔灌木类植被对农宅群热环境影响方面的科学研究，对充分发挥其节能生态效益与完善村域乔灌木类植被的设计导则等方面均具有重要的理论指导意义。
乔木对建筑热环境影响有多种方式，蒸腾作用是乔木对建筑热环境影响的主要机理之一[3]。乔木通过冠层叶片排出水分气化，降低了冠体周围的空气温度，其作用受季相变化、气温、土壤水分、叶片形态、叶片气孔导度等因素共同制约[4]，其中叶片气孔导度是整棵树蒸腾作用的预测因子[5]，Grylls量化了不同条件下蒸腾冷却效果占总冷却效果的比例关系，为乔木冷却作用的研究提供了便利[6]。乔木对邻近建筑热环境影响的另一因素是其对太阳辐射的遮阴作用，减少了邻近墙面所吸收的总热辐射，从而可减少传入室内的热量，同时也可降低制冷能耗[7]。乔木的热辐射遮阴能力主要受冠体结构的影响，较小的冠体结构透射率有助于拦截更多的太阳直接辐射和天空短波散射，从而具有更好的降温节能效果[8]。Deng通过十种树木辐射性能实测发现，在树木冠体没有明显缝隙或凹形的情况下，其辐射性能的差异主要取决于叶片的大小，其透反射率也与太阳高度呈线性相关[9]。除对乔木本体研究外，还有城市宏观视角下的研究，如Lee应用城市冠层模型计算城市峡谷乔木带来的辐射遮阴和吸收[10]。这些冠体辐射性能研究，为乔木辐射冷却效果的应用及评估提供了便利。综上所述，目前尚缺乏无阴影条件下乔木对邻近墙面热辐射扰动影响因子的研究。鉴于此，本文利用实验与模拟相结合的方式，分析乔木对墙面热辐射扰动影响因子，为乔木绿化时的树种选择及空间配置提供科学依据。
一般而言，树木与建筑的位置都是固定的，而难移动的特点无法满足研究中参数变化的要求。比如，冠体直径、墙冠距等参数的变化对邻近墙面热辐射的影响等研究，就难以通过一个现场实验完成。为使研究更加经济有效，本文选取软件模拟作为探索树木冠体对邻近墙面的热辐射影响的研究方法。但模拟方法的结果是否准确可靠则首先需要评估。本文所提方法主要包含两步：第一步是应用实测结果对模拟过程和结果进行检验，并调整优化模拟参数的设置，最终确定较高精度的模拟方法；
第二步是应用检验过的模拟方法完成更多工况的模拟与分析，以探索不同冠径、墙冠距等参数的变化对邻近墙面的热辐射影响。
在第一步中，先现场布设由球状冠体乔木(桂花树)、墙板及地面组成的实验系统，同时也在ENVI-met软件中构建1∶1的仿真实验模型，在确保边界条件一致的情况下分别获取墙面的相关热辐射强度数值，然后对二者进行对比，如有差异，再修改相关模拟基本设置参数，获得模拟结果后再次比较，直至确定与实际实验数据较为吻合的模拟参数及模拟过程。在第二步中，应用确定的模拟参数和方法模拟分析更多乔木参数，如树木不同冠径、树木冠体LAD、墙冠距等对墙面的热辐射影响规律。具体的方法流程图如图1所示。
3.1 乔木热辐射扰动实验
实验地点位于中国杭州市临安区，属亚热带季风气候，具有夏季高温、冬季寒冷的天气特征。实验系统由南方典型代表性乔木桂花树、三面围合墙板组成。试验场地为两处三面围合空间，其中西侧空间为乔木区，东侧空间为无乔木区。在乔木区内有一株桂花树。由于两个测试区内的地面材质包含草坪与瓷砖两种类型，为避免不同地面材质的影响，实验时在两个区域内均铺上相同材质的地毯。实验时间为2019年8月，杭州在这个月里白天太阳角度高，桂花全天均无阴影投射到北侧板，这样可不必考虑树木遮阴效应对墙面的热辐射的影响。实测时间为每天9:00,11:00,14:00,17:00,19:00。在每个时间点上使长、短波热辐射仪分别测量三个测点的长、短波热辐射强度。同时使用TES-1333太阳能功率表(准确度±10 W/m2)对太阳辐射总量进行测量，并使用TES1361C温湿度记录仪测量环境温湿度(湿度精度：±3%R.H.;温度精度：±0.8 ℃)。
3.2 模拟方法及其准确性评估
应用ENVI-met软件建立与现场实验等尺寸比例的乔木、墙板及地面模型(见图2)，并以实测期间的天气条件作为模拟条件，模拟并提取有、无桂花树区对应的北侧墙面板三个高度处的长波热辐射发射强度、接收强度及短波热辐射接收、反射强度值。对比实测与模拟结果发现(见图3)，两者均出现了热辐射扰动。这里的热辐射扰动是指种植乔木后，墙面净长、短波热辐射吸收强度的改变量。同时，两者的长、短波热辐射强度的变化趋势基本一致，从早到晚均呈现先升高再降低的趋势。有乔木的实测在上午11：00长短波热辐射接收高于模拟，这是因为模拟中乔木受网格限制，略大于实测，因此模拟中在上午太阳11：00时乔木对太阳辐射产生了更多的拦截。但总体而言，模拟结果与试验实测数据吻合度高，说明本研究所用模拟法具有较好的准确性与可靠性。因此，可用其进一步开展乔木对邻近墙面热辐射扰动的影响因子分析。
现场实测及数值模拟均证明了乔木冠体可对邻近墙面产生热辐射扰动影响，但乔木冠体本体参数及其空间位置对热辐射扰动的影响规律难以通过现场实验进行研究，需要应用模拟方法进一步探究。根据实际情况，本文提出一套由不同冠径DC(3 m,5 m,7 m)、不同叶面积密度LAD(1 m2/m3,2 m2/m3,3 m2/m3)与不同墙冠距DW-T(1 m,2 m,3 m)等不同参数值组合而成的27种模拟情景。其中墙冠距为树冠边缘至邻近墙面的最短距离。此外，可定义LAD=1 m2/m3的乔木为稀疏型乔木，LAD=2 m2/m3代表中等茂密乔木，LAD=3 m2/m3代表茂密型乔木。通过对上述27种情景的模拟，可分析乔木冠径、叶面积密度及墙冠距对邻近墙面的热辐射扰动规律。为定量分析不同情景下乔木对墙面热辐射扰动强度在不同方向上的变化规律，可以扰动区中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系，水平向右方向为X轴方向，竖直向上方向为Y轴方向。应用此坐标系，可以分析不同乔木冠径、叶面积密度及墙冠距等参数改变的情况下，热辐射扰动强度在墙面不同方向上的演变规律(见图4)。
4.1 乔木冠径对墙面热辐射扰动的影响
从不同冠径DC的热辐射模拟结果中分别提取X,Y轴上整米坐标处的净长、短波热辐射扰动强度值，然后将二者求和得到相应坐标下的总热辐射扰动强度值，最后应用SPSS软件拟合墙面总热辐射扰动强度与对应坐标间的关系(见图5)。
从拟合图5中可知，X轴的扰动强度与水平中心距间的关系都符合复合函数的特征，且均呈衰减特征(见图5(a))。从整体来看，X轴墙面的热辐射扰动衰减趋势呈三阶段变化规律，即由快速衰减区、衰减区和平缓区三区段组成。其中热辐射扰动快速衰减区为与扰动中心点相距5 m以内的范围，这个区段内热辐射扰动急剧下降，这说明快速衰减区是乔木对邻近墙面热辐射影响最敏感的区段，也是对室内制冷能耗影响最大的区段。水平向热辐射衰减区为与扰动中心相距5 m～10 m间的区段，在这个区段内，热辐射衰减速度开始下降，但仍对水平扰动中心距有一定的敏感性。水平向热辐射平缓区为与扰动中心相距10 m以外的区段，在这个区段里热辐射扰动逐渐收敛，且对水平扰动中心距与冠径变化均不敏感，是可以忽略乔木对夏季室内制冷能耗影响的区段。Y轴的扰动强度与竖向中心距间为线性函数关系，且呈负相关关系，即随中心距的增加，热辐射扰动强度匀速衰减，且衰减速度较为接近。应用SPSS可进一步拟合得出不同冠径条件下，通过水平向与竖直向的热辐射扰动强度与扰动中心距间的关系式(见图5)。
4.2 乔木LAD对墙面热辐射扰动的影响
从不同冠体LAD的热辐射模拟结果中分别提取X，Y轴上整米坐标处的净长、短波热辐射扰动强度值，然后将二者求和得到相应坐标下的总热辐射扰动强度值，最后应用SPSS软件拟合得到墙面总热辐射扰动强度与对应坐标间的关系(见图6)。
从图6中可知，X轴的扰动强度与水平中心距间的关系也符合复合函数的衰减趋势(见图6(a))，且呈三阶段变化特征，即由快速衰减区(扰动中心距小于5 m)、衰减区(扰动中心距介于5 m～10 m间)和平缓区(扰动中心距大于10 m)三区段组成。从对室内制冷能耗影响角度来看，三者大小关系为快速衰减区>衰减区>平缓区。但总体而言，乔木冠体对墙面热辐射扰动在水平向的演变对LAD的变化并不敏感。Y轴的扰动强度与竖向中心距间为线性函数关系，且呈负相关关系，即随中心距的增加，热辐射扰动强度匀速衰减，且衰减速度较为接近。
4.3 乔木墙冠距对墙面热辐射衰减的影响
从不同墙冠距的热辐射模拟结果中分别提取X,Y轴上整米坐标处的净长、短波热辐射扰动强度值，然后将二者求和得到相应坐标下的总热辐射扰动强度值，最后应用SPSS软件拟合墙面总热辐射扰动强度与对应坐标间的关系(见图7)。
从图7中可知，X轴的扰动强度与水平中心距间的关系都符合复合函数的特征，且均呈三阶段衰减特征，衰减规律同上(见图7(a))。Y轴的扰动强度与竖向中心距间为线性函数关系，且呈负相关关系，即随中心距的增加，热辐射扰动强度匀速衰减，且墙冠距越小的衰减速度越快。
以球状冠体乔木桂花树为对象，应用实测与模拟相结合的方法，分析了在无阴影投射条件下，不同乔木冠径DC、叶面积密度LAD、墙冠距DW-T对邻近墙面热辐射扰动的影响规律，所得结论如下:
1)对墙面净短波热辐射而言，随着乔木冠径的增大，墙面热辐射扰动强度随之减小。乔木冠径越大，邻近墙面接收的净长波热辐射扰动强度越大。乔木冠径的增大所带来的短波热辐射扰动影响要远大于长波热辐射扰动。因此乔木冠径越大，其对邻近墙面总辐射扰动强度越大，越有利于节约夏季室内制冷能耗。
2)对不同冠径、墙冠距及叶面积密度条件下的墙面热辐射扰动而言，通过墙面扰动中心的水平轴的扰动强度与水平中心距间的关系符合复合函数的特征，且均呈衰减特征。从整体来看，X轴墙面的热辐射扰动衰减趋势呈三阶段变化规律，即由快速衰减区、衰减区和平缓区三区段组成。从对室内制冷能耗影响角度，三者大小关系为快速衰减区>衰减区>平缓区。
3)对不同冠径、墙冠距及叶面积密度条件下的墙面热辐射扰动而言，通过墙面扰动中心的竖向轴的扰动强度与竖向中心距间为线性函数关系，且呈负相关关系，即随中心距的增加，热辐射扰动强度匀速衰减，且墙冠距越小的衰减速度越快。
猜你喜欢 热辐射短波区段 一种改进的列车进路接近锁闭区段延长方法铁路计算机应用(2022年5期)2022-06-08区块链和边缘计算驱动的短波电磁频谱管理新架构陆军工程大学学报(2022年2期)2022-04-27高速铁路设施管理单元区段动态划分方法华东交通大学学报(2022年1期)2022-04-06聚乙烯储肥罐滚塑成型模具热辐射温度响应农业工程学报(2022年1期)2022-03-25中老铁路双线区段送电成功云南画报(2021年11期)2022-01-18热辐射的危害水上消防(2020年5期)2020-12-14铀浓缩厂区段堵塞特征的试验研究科技视界(2020年8期)2020-05-18浅析短波电台网络化管理应用活力(2019年17期)2019-11-26从吸收到辐射">金属/介质光栅套构超材料：从吸收到辐射航空兵器(2017年6期)2018-01-24短波发射机维护中的安全防护措施分析山东工业技术(2016年15期)2016-12-01
